Gallium: Het element

Gallium is een chemisch element met symbool Ga en atoomnummer 31. Elementair gallium komt niet voor in vrije vorm in de natuur. Gallium (III) verbindingen bevinden zich in zinkertsen en bauxiet. Gallium is een zacht, zilverwit metaal dat als vaste stof bij lagere temperatuur zeer bros is. Een bekende legering is Galinstan (68.5% gallium, indium 21,5% en 10% tin) met een smeltpunt van -19 °C. Sinds haar ontdekking in 1875, is gallium gebruikt als legeringselement om legeringen te maken die smelten bij lage temperaturen. Het element is genoemd naar Gallia (Latijn voor Frankrijk). De eerste isolatie is uitgevoerd door Lecoq de Boisbaudran (1875).

Algemene eigenschappen van gallium

Fysische eigenschappen van gallium

Eigenschappen van het gallium atoom

Mechanische eigenschappen van gallium

Meest stabiele isotopen van gallium

Toelichting fysische eigenschappen van gallium

Elementair gallium wordt niet gevonden in de natuur. Zuiver gallium metaal heeft een zilverachtige kleur en breekt glasachtig. Het zet 3,1% uit wanneer het stolt en daarom moet opslag in glazen of metalen houders worden vermeden; bij het stollen door temperatuurverlaging zou de houder scheuren.

Gallium diffundeert in het atoomrooster van andere metalen, bijvoorbeeld in de korrelgrenzen van aluminium-zink legeringen, waardoor het materiaal bros wordt. Gallium legeert gemakkelijk met metalen en wordt gebruikt in plutonium kernen van nucleaire bommen, voor stabiliseren van de plutonium kristalstructuur.

Gallium is een van de metalen (met cesium, rubidium, kwik) die bij kamertemperatuur vloeibaar zijn en daarom worden gebruikt in metaal-op-glas (hoge temperatuur) thermometers. Gallium heeft de grootste vloeibare fase, gallium's kookpunt 2673 K, is meer dan acht keer hoger dan het smeltpunt, waardoor het de grootste verhouding tussen smeltpunt en kookpunt van alle elementen heeft. Dit is de oorzaak van de relatief lage dampdruk bij hoge temperaturen.

De fysische eigenschappen van gallium zijn anisotroop, dat wil zeggen dat ze verschillende waarden hebben langs de drie kristallografische assen A, B en C; om deze reden is er bijvoorbeeld een verschil tussen de lineaire en volume thermische uitzettingscoëfficiënten.

De eigenschappen van gallium zijn sterk afhankelijk van de temperatuur, vooral bij het smeltpunt, de thermische uitzettingscoëfficiënt neemt toe met meer dan honderd procent tijdens het smelten.

Chemische eigenschappen

Gallium wordt voornamelijk gevonden in de +3 oxidatietoestand. De +1 oxidatie komt echter ook voor. Bijvoorbeeld, de stabiele GaCl2 bevat gallium(I) en gallium(III) en kan worden geformuleerd als GaIGaIICl4.

Waterige oplossingen

Gallium in sterke zuren vormt gallium(III)zouten zoals Ga2(SO4)3. Waterige oplossingen van gallium(III)zouten bevat de gehydrateerde gallium ion, [Ga (H2O) 6] 3+. Gallium(III)hydroxide, Ga (OH) 3 wordt neergeslagen uit gallium(III)oplossing door toevoeging van ammoniak. Dehydrateren van Ga(OH)3 bij 100 °C produceert galliumoxide-hydroxide, Gao(OH).

Chalcogeen verbindingen

Chalcogenen is de "zuurstof familie" van groep 16 van het periodiek systeem (zuurstof, zwavel, selenium, tellurium en polonium). Gallium reageert met chalkogenen alleen bij hogere temperaturen. Bij kamertemperatuur, reageert gallium metaal niet met lucht en water door de vorming van een beschermende oxidelaag. Bij hogere temperaturen reageert het met zuurstof in de lucht tot gallium(III)oxide, Ga2O3. Het reduceren van Ga2O3 met elementair gallium bij 500 °C tot 700 °C geeft de donkerbruine gallium(I)oxide, Ga2O.Ga2O een sterke reductie middel.

Gallium vormt ook sulfiden bij lagere oxidatietoestanden, zoals gallium(II)sulfide en groene gallium(I)sulfide, waarvan de laatste wordt geproduceerd uit de eerste door verhitting bij 1000 °C onder een stikstofstroom. De andere binaire chalcogeniden, Ga2Se3 en Ga2Te3 zijn halfgeleiders en hebben de zinkblende structuur.

Gallium halogeniden

Gallium (III) oxide reageert met HF of F2 en vormt gallium(III)fluoride GaF3, dat onoplosbaar in water is. Echter, smelten in waterstoffluoride, waarin een adduct met water, GaF3 • 3H2O vormt. Door dit adduct uit te drogen vormt zich GaF2OH • nH2O. Het adduct reageert met ammoniak GaF3 • 3NH3, dat vervolgens kan worden verwarmd om watervrije GaF3 te vormen. (Een adduct (Latijn: leiden naar) is een reactieproduct dat ontstaat door samengaan van twee of meer verschillende moleculen. veelal worden er tijdens samengaan geen bindingen verbroken. Er ontstaan geen nevenproducten).

Galliumtrichloride wordt gevormd door reactie van gallium metaal met chloorgas. In tegenstelling tot de trifluoride, gallium(III)chloride bestaat als dimeer moleculen, Ga2Cl6, met een smeltpunt van 78 °C. Dit is ook het geval voor de bromide en jodide, respectievelijk Ga2Br6 en Ga2I6. Wanneer verwarmd tot een hoge temperatuur, gallium(III)halogeniden reageren met elementaire gallium om gallium(I)halogeniden te vormen. Bijvoorbeeld, GaCl3 reageert met Ga om GaCl te vormen:

• 2 Ga + GaCl324→ 3 GaCl (g)

Bij lagere temperaturen verschuift het evenwicht naar links en GaCl disproportioneert (disproportioneringsreactie is een reactie waarbij eenzelfde molecuul zowel naar een hoger als naar een lager oxidatiegetal gaat. Bij een dergelijke reactie wordt eenzelfde deeltje dus zowel geoxideerd als gereduceerd naar elementaire gallium en GaCl3). GaCl kan ook worden vervaardigd door de reactie van Ga met HCl bij 950 °C en condenseerd dan als rode vaste stof.
Gallium(I)verbindingen kunnen worden gestabiliseerd door het vormen van adducten met Lewiszuren. Bijvoorbeeld:

• GaCl + AlCl3 → Ga + [AlCl4] -

De "gallium(II)halogeniden", GaX2, eigenlijk adducten van gallium(I)halogeniden met de respectievelijk gallium(III)halogeniden, met de structuur Ga + [GaX4] -. Bijvoorbeeld:

• GaCl + GaCl3 → Ga + [GaCl4] -

Stikstofgroep verbindingen

Gallium reageert met ammoniak bij 1050 °C en vormt galliumnitride GaN. Gallium vormt ook binaire verbindingen met fosfor, arseen en antimoon: galliumfosfide (GaP), galliumarsenide (GaAs) en galliumantimonide (GaSb). Deze verbindingen hebben dezelfde structuur als ZnS en hebben halfgeleidende eigenschappen.GaP, GaAs en GaSb kunnen worden gesynthetiseerd door directe reactie van gallium met elementair fosfor P, arseen As of antimoon Sb. Ze vertonen hogere elektrische geleidbaarheid dan GaN. Gallium vormt ternaire nitrides; bijvoorbeeld:

• Li3Ga + N2 → Li3GaN2

Vergelijkbare verbindingen met fosfor en arseen bestaan ook: Li3GaP2 en Li3GaAs2. Deze verbindingen worden gemakkelijk gehydrolyseerd door verdunde zuren.

Waterstofverbindingen

Zoals aluminium, vormt gallium een hydride GaH3, de zogenaamde gallane, die kan worden verkregen door reactie van lithium gallate (LiAlH4) met gallium (III) chloride bij -30 °C:

• 3 LiAIH4 + AICI3 → 3 LiCl + 4 GaH3

In aanwezigheid van dimethylether als oplosmiddel, polymeriseert GaH3 tot (GaH3)n. Wanneer geen oplosmiddel wordt gebruikt, wordt het dimeer Ga2H6 (digallane) gevormd als een gas. Gallane is instabiel boven -10 °C, ontleedt tot elementair gallium en waterstof.

Productie

Gallium is een bijproduct van de productie van aluminium, zink en germanium. Meeste gallium wordt gehaald uit de aluminiumhydroxide oplossing tijdens het Bayer-proces bij het produceren van aluminium. Zuiverheid van 99.9999% wordt bereikt met Czochralski proces en het metaal is commercieel verkrijgbaar. In 2007 is de productie van gallium 184 ton, 100 ton uit de mijnbouw en de rest uit recycling. In 2012 is de wereldproductie van gallium geschat op 273 ton.

Toepassingen

• De halfgeleider toepassingen domineren (98%) het commerciële gebruik van gallium. Voornamelijk gebruikt in de elektronica.
• Halfgeleidende galliumnitride en indiumgalliumnitride produceren blauw en violet licht-emitterende diodes (LED's) en diode lasers.
• Gallium bewaard in gesloten glazen buis / Bron: Alshaer666, Wikimedia Commons (CC BY-SA-3.0)
  Gallium thermometers worden vervaardigd als een milieuvriendelijk alternatief voor kwikthermometers.
• Galliumarsenide (GaAs) en galliumnitride (GaN) gebruikt in elektronische componenten vertegenwoordigen ongeveer 98% van de gallium consumptie. Galliumarsenide wordt gebruikt in opto-elektronica in verschillende infrarood toepassingen en
• in de vervaardiging van de magnetron.
• Aluminium galliumarsenide (AlGaAs) wordt gebruikt in krachtige infrarood laserdiodes. Als onderdeel van de halfgeleiders indium galliumnitride en galliumnitride, gallium wordt gebruikt om blauwe en violette opto-elektronische apparaten, zoals laserdiodes en lichtemitterende diodes.
• Galinstan legeert gemakelijk met metalen en gebruikt als component in laag-smeltende legeringen. Een eutectische legering van gallium, indium en tin is geschikt voor medische thermometers. Galinstan, heeft een laag vriespunt van -19 °C. Er is gesuggereerd dat deze legering kan worden gebruikt voor de koeling van computerchips.
• Omdat gallium glas en porselein bevochtigt kan gallium worden gebruikt om spiegels te maken. Wanneer de bevochtigende werking van gallium-legeringen niet gewenst is (zoals in Galinstan glasthermometers), moet het glas worden beschermd door een transparante laag van gallium(III)oxide.
• Gallium toegevoegd in hoeveelheden tot 2% aan soldeer verbetert bevochtiging en dus vloeien van soldeer.
• Het wordt gebruikt als legeringselement in de magnetische vormgeheugen legering Ni-Mn-Ga.
• Verder wordt gallium toegepast in zonnecellen, nucleaire Geneeskunde, tandarts (bijvoorbeeld ter vervanging van amalgaam), Chirurgie, printers, computers, astronomie en farmaceutica

Medische toepassingen

Hoewel gallium geen natuurlijke biologische functie heeft, is er sprake van interaktie van galliumionen met lichaamsprocessen op dezelfde wijze als ijzer(III). Bij ontstekingen die bij vele ziekten optreden, worden soms galliumzouten gebruikt als geneesmiddel. Gallium (III) gedraagt zich op dezelfde wijze als ferrizouten in biologische systemen en is gebruikt in een aantal medische toepassingen.De galliumionen worden per abuis opgenomen (normaal nemen ze ijzer op} door bacteriën, die vervolgens sterven.
In lagere doseringen is oplosbaar gallium dor het lichaam te verdragen, het hoopt zich niet op tot gif. Terwijl metallisch gallium niet als giftig wordt beschouwd, beweren sommige onderzoekers dat het eczeem kan veroorzaken bij langdurige blootstelling aan de stof.